VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS NÍZKOFREKVENČNÍ D/A PŘEVODNÍK PRO LABORATORNÍ VÝUKU AUDIO D/A CONVERTER USED FOR LABORATORY MEASUREMENTS DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE Bc. Milan Abrman AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BRNO, 205 doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D.
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky Diplomová práce magisterský navazující studijní obor Elektronika a sdělovací technika Student: Bc. Milan Abrman ID: 25352 Ročník: 2 Akademický rok: 204/205 NÁZEV TÉMATU: Nízkofrekvenční D/A převodník pro laboratorní výuku POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: V úvodní teoretické části práce navrhněte koncepci a obvodové zapojení laboratorního přípravku stereofonního D/A převodníku pro předmět Nízkofrekvenční a audio elektronika. Předpokládejte výběr integrovaného multistandardního převodníku 24bit/92 khz, ke kterému proveďte návrh digitálního přijímače, jakostní analogové části výstupních filtrů a dále integrované mikroprocesorové řízení režimu provozu převodníku s vhodně zvolenou indikací pracovního režimu pomocí displeje nebo grafického znázornění. V praktické části práce vytvořte kompletní konstrukční podklady k realizaci návrhu (schéma zapojení, návrh desky plošného spoje, rozložení a soupiska součástek atd.). Převodník realizujte formou funkčního laboratorního přípravku, jehož správnou činnost ověřte měřením. Navrhněte samostatnou laboratorní úlohu pro kterou vytvořte kompletní zadání a vzorový protokol o měření. DOPORUČENÁ LITERATURA: [] POHLMAN, K. C. Principles of digital audio, Fourth Edition. McGraw-Hill, 2000. [2] TALBOTH-SMITH, M. Audio Engineer s Reference Book, Second Edition. Focal press, 999. [3] METZLER, B. Audio Measurement Handbook. Beaverton: Audio Presision, Inc., 993. Termín zadání: 9.2.205 Termín odevzdání: 2.5.205 Vedoucí práce: doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. Konzultanti diplomové práce: doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. Předseda oborové rady
UPOZORNĚNÍ: Autor diplomové práce nesmí při vytváření diplomové práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení a následujících autorského zákona č. 2/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.
ABSTRAKT Tato práce se zabývá návrhem laboratorního přípravku stereofonního D/A převodníku pro školní laboratorní účely. Součástí práce je kompletní návrh všech funkčních bloků přípravku pro D/A převod, kterými jsou: Vstupní část, přijímač S/PDIF, D/A převodník, vysoce jakostní výstupní analogová část s aktivním rekonstrukčním filtrem. Tato práce se zabývá také návrhem všech řídících a indikačních částí laboratorního přípravku, kterými jsou: mikrokontrolér s ovládacími prvky, znakový OLED displej a indikátory nastavení. KLÍČOVÁ SLOVA Přijímač S/PDIF, D/A převodník, diferenční mikrokontrolér, laboratorní přípravek, měření zesilovač, rekonstrukční filtr, ABSTRACT The aim of this thesis is design stereo digital to analog convertor for school laboratory usage. Scope of the thesis covers the design of all the functional units: input signal circuit, S/PDIF receiver, D/A converter, high quality analog output stage with active low pass filter. Thesis also cover design of all control and indicating parts containing microcontroller with control parts, alphanumeric OLED display and setting indicators. KEYWORDS S/PDIF receiver, D/A converter, differential amplifier, microcontroller, laboratory equipment, measurement
ABRMAN, M. Nízkofrekvenční D/A převodník pro laboratorní výuku. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav radioelektroniky, 205. 90 s., 20 s. příloh. Diplomová práce. Vedoucí práce: doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svoji diplomovou práci na téma Nízkofrekvenční D/A převodník pro laboratorní výuku jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího semestrálního projektu a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení a následujících zákona č. 2/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. V Brně dne...... (podpis autora) PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing Tomáš Kratochvíl, Ph.D. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé diplomové práce.
OBSAH Seznam obrázků Seznam tabulek x Úvod Návrh laboratorního přípravku 2. Blokové schéma navrhovaného laboratorního přípravku...2.2 Použité integrované obvody v jednotlivých blocích...4.2. 2 7 2. Vstupní digitální část...7 2.2 Rozhraní a přijímač S/PDIF...9 2.3 2.4 Popis zapojení přijímače S/PDIF CS846...2 D/A převodník...3 2.3. Popis zapojení D/A převodníku AD955...4 Diferenční zesilovače a aktivní rekonstrukční filtr...6 2.4. Návrh bloku diferenčních zesilovačů a aktivního filtru...8 2.4.2 Návrh bloku aktivního rekonstrukčního filtru...9 Řídící obvody 3. 3.2 SPI komunikace...25 Popis zapojení mikrokontroléru MSP430F5529...25 3.2. 3.3 22 Parametry mikrokontroléru MSP430F5529...23 3.. RESET mikrokontroléru MSP430F5529...25 Popis zapojení převodníků SPI/paralel...26 3.3. Převodník SPI/paralel pro OLED displeje...26 3.3.2 Převodníky SPI/paralel pro indikaci nastavení...29 3.4 Řízení činnosti přijímače S/PDIF CS846...30 3.4. 3.5 4 Popis použitých integrovaných obvodů...4 Obvody pro D/A převod 2.2. 3 viii Řídící registry přijímače S/PDIF CS846...3 Řízení činnosti D/A převodníku AD955...35 3.5. Řídící registry D/A převodníku AD955...36 Napájení 39 vi
4. 5 Ovládání a práce s přípravkem 5. 7 42 Menu a ovládání přípravku...42 5.. Výchozí stav laboratorního přípravku...42 5..2 Struktura ovládacího menu...43 5..3 Reset laboratorního přípravku...45 5.2 6 Popis zapojení bloku stabilizátorů...39 Měření na laboratorním přípravku...46 Měření 48 6. Měření kmitočtové modulové charakteristiky a THD+N...48 6.2 Měření separace obou kanálů...54 6.3 Měření linearity...56 6.4 Měření odstupu signálu od šumu...60 6.5 Měření THD+N v závislosti na úrovni signálu...62 6.6 Měření filtru De-Emphasis...65 6.7 Použité měřící přístroje...7 6.8 Závěr měření...7 6.9 Vzorový protokol...73 Závěr 86 Literatura 88 Seznam symbolů, veličin a zkratek 90 vii
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr...: Blokové schéma celého zařízení...2 Obr. 2..: Zapojení vstupů u přijímače CS846...8 Obr. 2.2.: Formáty komunikace přijímače S/PDIF a D/A převodníku, převzato [2]...9 Obr. 2.2.2: Schéma zapojení přijímače S/PDIF CS846...0 Obr. 2.2.3: 2. řídící registr obvodu CS846, převzato [2]...2 Obr. 2.3.: Schéma zapojení D/A převodníku AD955...5 Obr. 2.4.: Schéma zapojení diferenčních zesilovačů a aktivního rekonstrukčního filtru...8 Obr. 2.4.2: Spektrum signálu na výstupu z D/A převodníku...2 Obr. 3.: Schéma zapojení mikrokontroléru MSP430F5529...22 Obr. 3.3.: Schéma zapojení převodníku SPI...27 Obr. 3.3.2: Schéma zapojení indikace nastavení CS846 a AD955...30 Obr. 3.4.: Řízení činnosti CS846 v SPI komunikaci, převzato [2]...3 Obr. 3.4.2: 0. řídící registr CS846, převzato [2]...3 Obr. 3.4.3:. řídící registr CS846, převzato [2]...32 Obr. 3.4.4: 2.řídící registr CS846, převzato [2]...32 Obr. 3.4.5: Odezva filtru De-emphasis, převzato [2]...33 Obr. 3.4.6: 3. řídící registr CS846, převzato [2]...33 Obr. 3.4.7: 4. řídící registr CS846, převzato [2]...33 Obr. 3.4.8: 5.řídící registr CS846, převzato [2]...34 Obr. 3.5.: Řízení činnosti AD955 v SPI komunikaci, převzato [4]...35 Obr. 3.5.2: Řídící registry D/A převodníku AD955, převzato [4]...36 Obr. 4.: Zapojení stabilizátorů...39 Obr. 5..: Uvítací obrazovka na přípravku...44 Obr. 5..2: První nabídka po stisku tlačítka Menu UP...45 Obr. 5..3: První podnabídka první nabídky po stisku tlačítka SUBMENU...45 Obr. 6..: Modulové kmitočtové charakteristiky pro různé fvz...53 Obr. 6..2: Harmonická zkreslení D/A převodníku pro různé fvz...53 Obr. 6.2.: Separace obou kanálu D/A převodníku pro různé fvz...56 viii
Obr. 6.3.: Měření linearity D/A převodníku pro fvz= 48 khz...59 Obr. 6.3.2: Měření linearity D/A převodníku pro fvz= 96 khz...59 Obr. 6.3.3: Měření linearity D/A převodníku pro fvz= 92 khz...60 Obr. 6.5.: Měření THD+N v závislosti na úrovni vstupního signálu pro různé fvz...64 Obr. 6.6.: Modulové kmitočtové charakteristiky 48 khz filtru pro různé fvz...69 Obr. 6.6.2: Modulové kmitočtové charakteristiky 44, khz filtru pro různé fvz...69 Obr. 6.6.3: Modulové kmitočtové charakteristiky 32 khz filtru pro různé fvz...70 ix
SEZNAM TABULEK Tab. 2.2.: Konfigurace GPO pinů obvodu CS846, převzato [2]... Tab. 2.3.: Parametry převodníku AD955...3 Tab. 2.3.2: Parametry převodníku AD955, pokračování...4 Tab. 2.4.: Parametry operačního zesilovače LME49720...7 Tab. 2.4.2: Parametry operačního zesilovače AD8599...7 Tab. 3..: Přehled klíčových parametrů mikrokontroléru MSP430F5529...23 Tab. 3..2: Přehled klíčových parametrů mikrokontroléru MSP430F5529, pokračování...24 Tab. 3.3.: Význam pinů displeje a jejich propojení s převodníkem...28 Tab. 3.4.: Nastavení a výběr formátu sériové komunikace...35 Tab. 4..: Přehled použitých stabilizátorů a jejich použití...4 Tab. 5..: Výchozí nastavení přípravku D/A převodníku...43 Tab. 5..2: Struktura ovládacího menu přípravku D/A převodníku...43 Tab. 5..3: Struktura ovládacího menu přípravku D/A převodníku, pokračování...44 Tab. 5.2.: Význam TP v laboratorním přípravku...46 Tab. 5.2.2: Význam TP v laboratorním přípravku, pokračování...47 Tab. 6..: Měření modulové kmitočtové char. a THD+N pro fvz= 48 khz...49 Tab. 6..2: Měření modulové kmitočtové char. a THD+N pro fvz= 48 khz, pokrač...50 Tab. 6..3: Měření modulové kmitočtové char. a THD+N pro fvz= 96 khz...50 Tab. 6..4: Měření modulové kmitočtové char. a THD+N pro fvz= 96 khz, pokrač...5 Tab. 6..5: Měření modulové kmitočtové char. a THD+N pro fvz= 92 khz...52 Tab. 6.2.: Měření separace obou kanálu při fvz= 48 khz...55 Tab. 6.2.2: Měření separace obou kanálů při fvz= 96 khz...55 Tab. 6.2.3: Měření separace obou kanálů při fvz = 92 khz...55 Tab. 6.3.: Měření linearity pro fvz = 48 khz...57 x
Tab. 6.3.2: Měření linearity pro fvz= 96 khz...57 Tab. 6.3.3: Měření linearity pro fvz= 96 khz, pokračování...58 Tab. 6.3.4: Měření linearity pro fvz= 92 khz...58 Tab. 6.4.: Měření odstupu signálu od šumu pro fvz= 48kHz...6 Tab. 6.4.2: Měření odstupu signálu od šumu pro fvz= 96kHz...6 Tab. 6.4.3: Měření odstupu signálu od šumu pro fvz = 92kHz...6 Tab. 6.5.: Měření THD+N v závislosti na úrovni signálu pro fvz=48 khz...63 Tab. 6.5.2: Měření THD+N v závislosti na úrovni signálu pro fvz=96 khz...63 Tab. 6.5.3: Měření THD+N v závislosti na úrovni signálu pro fvz=92 khz...63 Tab. 6.5.4: Měření THD+N v závislosti na úrovni signálu pro fvz=92 khz, pokrač...64 Tab. 6.6.: Měření 48 khz filtru De-Emphasis pro různé fvz...65 Tab. 6.6.2: Měření 48 khz filtru De-Emphasis pro různé fvz, pokračování...66 Tab. 6.6.3: Měření 44, khz filtru De-Emphasis pro různé fvz...66 Tab. 6.6.4: Měření 44, khz filtru De-Emphasis pro různé fvz, pokračování...67 Tab. 6.6.5: Měření 32 khz filtru De-Emphasis pro různé fvz...67 Tab. 6.6.6: Měření 32 khz filtru De-Emphasis pro různé fvz, pokračování...68 xi
ÚVOD Tato diplomová práce se zabývá podrobným návrhem a realizací laboratorního přípravku D/A převodníku, který má sloužit pro měření v laboratorních cvičeních předmětu Nízkofrekvenční a audio elektroniky. Přípravek musí být odolný, jednoduchý na ovládání a rozmístění testovacích bodů po celém přípravku musí být systematické, aby po proměření všech těchto testovacích bodů získal student velmi dobrou představu o problematice zpracování a převodu vstupního digitální signálu na nízkofrekvenční audiosignál. Cílem práce a návrhu laboratorního přípravku je také zvolit co možná nejvhodnější indikaci nastavení požadovaných parametrů převodníku. Přesto že se jedná o laboratorní přípravek, jsou kladeny velké požadavky na kvalitu zpracování celého zařízení a především vysoké požadavky na kvalitu zpracování a převodu digitálního signálu na nízkofrekvenční audiosignál. Práce se zabývá nejen návrhem zapojení obvodů zprostředkovávajících D/A převod, následných diferenčních zesilovačů a aktivního rekonstrukčního filtru, ale i řídících obvodů a indikačních obvodů. V první části práce budou tak podrobně teoreticky rozebrány veškerá části navrhovaného laboratorního přípravku. Zdůvodněno použití patřičných klíčových integrovaných obvodů do těchto částí laboratorního přípravku. Na základě zvolených klíčových obvodů budou vytvořeny kompletní návrhy schémat zapojení všech částí laboratorního přípravku D/A převodníku. Ze schémat zapojení budou poté vytvořeny desky plošných spojů. Posledním krokem návrhu bude naprogramování řídícího algoritmu, který zabezpečí ovládání a řízení všech částí laboratorního přípravku D/A převodníku. Za pomocí interního mikrokontroléru a OLED displeje bude vytvořeno přehledné a intuitivní ovládací menu s možným nastavením parametrů. Mikrokontrolér bude doplněn ovládacími tlačítky pro pohyb v menu, pro výběr konkrétního parametru a pro potvrzení volby. Pro indikaci nastavení přijímače S/PDIF a D/A převodníku bude kromě OLED displeje použita i LED diodová indikace. Požadavek velmi malého harmonického zkreslení a vysoké věrnosti převodu vstupního S/PDIF signálu na klasickou analogovou úroveň, je zajištěn použitím těch nejmodernějších a nejkvalitnějších integrovaných obvodů do všech částí laboratorního přípravku zpracovávajících audiosignál. Použitý přijímač S/PDIF spolu s D/A převodník musí být schopen zpracovat vstupní signál do vzorkovacího kmitočtu až 92 khz s hloubkou vstupního slova až 24 bitů. Zároveň se však musí jednat o takové obvody, které umožňují softwarové řízení své činnosti.
NÁVRH LABORATORNÍHO PŘÍPRAVKU V této kapitole bude uvedeno a rozebráno celé blokového schéma navrhovaného zařízení laboratorního přípravku D/A převodníku. Postupně budou popsány jednotlivé bloky z hlediska jejich funkce a také bude u každého bloku uveden nejvýznačnější integrovaný obvod, který zde bude použit. U každého vybraného a použitého integrovaného obvodu bude zdůvodněno použití právě tohoto konkrétního obvodu. V následujících kapitolách, které se budou podrobněji zabývat návrhem každého dílčího bloku navrhovaného zařízení, bude uveden podrobný popis parametrů a vlastností jednotlivých použitých integrovaných obvodů. Dále budou uvedeny požadavky jak na celkové parametry zařízení, tak také na konkrétní parametry jednotlivých bloků. Protože navržené zařízení bude pracovat jako laboratorní přípravek, budou patřičné signálové cesty vybaveny tzv. Testing Pointy (dále jen TP). Pomocí těchto TP bude možné za pomocí analyzátoru, či osciloskopu analyzovat a identifikovat nejrůznější důležité průběhy v daných částech D/A převodníku. TP budou vyvedeny na vrchní krycí desku laboratorního přípravku a budou se nacházet jak ve vstupních obvodech a v samotných obvodech pro zpracování digitálního signálu, tak také v jakostní analogové části výstupního filtru a aktivního rekonstrukčního filtru. Rozmístění TP je logické za jejichž pomocí bude dobře patrná funkčnost D/A převodníku resp. celého laboratorního přípravku D/A převodníku Návrh schémat zapojení tohoto laboratorního přípravku D/A převodníku byl proveden za pomocí PC software Eagle od výrobce Cadsoft. K vytvoření kompletního řídícího algoritmu a naprogramování integrovaného MCU, který řídí činnost tohoto laboratorního přípravku, byl použit vývojový kit MSP430F5529LP od firmy Texas Instruments spolu s vývojovým prostředím Code Composer Studio V5.. Blokové schéma navrhovaného laboratorního přípravku Obr...: Blokové schéma celého zařízení 2
Blokového schéma navrženého laboratorního přípravu D/A převodníku je možné dle činnosti rozdělit do několika funkčních dílčích bloků. Tyto jednotlivé bloky budou v následujících kapitolách a podkapitolách podrobně rozebrány. Budou stanoveny požadavky na tyto dílčí bloky a na základě požadavků bude proveden návrh všech částí D/A převodníku tak, aby navržené zařízení bylo maximálně spolehlivé, odolné, snadné na obsluhu a bylo schopno pracovat dlouhou dobu v laboratořích Nízkofrekvenční a audio elektronika bez jakýchkoliv potíží. Navíc si přesto všechno musí zařízení zachovat velmi vysokou kvalitu zpracování zvuku. Všechny následující požadavky musí být zohledněny nejen v samotném návrhu, ale také zejména ve výběru součástkové základy do jednotlivých částí D/A převodníku. Blokové schéma navrženého zařízení viz. Obr..., lze rozdělit: Vstupní signálová část Příjem vstupních digitálních signálů z optického kabelu Příjem vstupních digitálních signálů z koaxiálního kabelu Přijímač S/PDIF Zpracování vstupních digitálních signálů z optické nebo koaxiální linky Přepínání mezi vstupními signály (výběr aktuálně zpracovávaného signálu) Převod S/PDIF signálu na formát signálu, který dokáže zpracovat následný D/A převodník D/A převodník Zpracování signálu z přijímače S/PDIF Převod vstupního digitálního signálu na analogový, který přejímá a zpracovává blok diferenčních zesilovačů a aktivního rekonstrukčního filtru Diferenční zesilovače a aktivní rekonstrukční filtr Převod signálu z výstupu D/A převodníku na klasický stereo signál linkové úrovně Řídící obvody MCU řídící činnost celého zařízení Sério/paralelní převodník převod SPI na paralelní informaci pro displej Sério/paralelní převodník převod SPI na informaci o nastavení přijímače S/PDIF Sério/paralelní převodník převod SPI na informaci o nastavení D/A převodníku OLED displej indikující nastavené předvolbu přijímače S/PDIF a D/A převodníku Ovládací tlačítka 4 ovládací tlačítka pro pohyb v menu, v podnabídkách a pro potvrzení vybrané předvolby 3
.2 Použité integrované obvody v jednotlivých blocích Pro dosažení požadovaných parametrů, správnou činnost a funkčnost je klíčový výběr integrovaných obvodů do jednotlivých bloků D/A převodníku. Laboratorní přípravek D/A převodníku musí být schopen zpracovávat vstupní digitální signály s bitovou hloubkou až 24 bitů a vzorkovacím kmitočtem až 92 khz a to jak z optické tak koaxiální linky. Přípravek musí sloužit pro měřící účely a proto musí být D/A převodník schopen měnit své parametry, jako je například právě vzorkovací kmitočet, či bitová hloubka zpracovávaného signálu. S přihlédnutím na tyto požadavky, na požadavky vysoké kvality zpracování signálu a na požadavky činnosti jsou ve všech částech D/A převodníku použity obvody té nejvyšší kvality. V následujícím rejstříku jsou uvedeny použité integrované obvody v jednotlivých blocích blokového schématu dle Obr.... U každého obvodu je navíc uveden typ pouzdra a v závorce pak výrobce tohoto integrovaného obvodu. Použité IO v jednotlivých částech zařízení: Optický přijímač GPFAV3RK0F (Sharp) Přijímač S/PDIF CS846 (Cirrus Logic) - SOIC28 D/A převodník AD955 (Analog Devices) - TSSOP 28 Diferenční zesilovače + aktivní rekonstrukční filtr LME49720 (Texas Instruments) - SOIC 8 AD8599 (Analog Devices) SOIC 8 MCU MSP430F5529 (Texas Instruments) - LQFP 80 Sério/paralelní převodníky 2 x 74HCT595 (Texas Instruments) - SOIC 6 OLED displej 20x2 OLED displej s řadičem WS000, barva zelená.2. Popis použitých integrovaných obvodů Pro příjem vstupního digitálního signálu z optické cesty byl zvolen optický přijímač GPFAV3RK0F od renomovaného výrobce Sharp. Optický přijímač je schopný zpracovat vstupní signály do přenosové rychlosti až 5,5 Mb/s, což pro potřeby audiotechniky naprosto dostačuje. Tento optický přijímač nahrazuje dříve velmi rozšířeny TORX77 od výrobce Toshiba. Oba optické přijímače jsou samozřejmě kompatibilní s klasickými optickými kabely (Toslink), které se nachází v běžné spotřební elektronice ( TV, DVD, Blu-ray atp.). [] 4
Přijímačů S/PDIF je poměrně velké množství ať od výrobce Cirrus Logic, Analog Devices a nebo i od společnosti Texas Instruments. Každý výrobce nabízí přijímače špičkových parametrů, avšak pro potřeby navrženého laboratorního přípravku D/A převodníku byl vybrán S/PDIF přijímač od prvně jmenované firmy, tedy od Cirrus Logic, konkrétně se jedná o přijímač CS846. Je to přijímač, který je možné za pomocí MCU softwarově řídit a umožňuje tak značnou variabilitu celého navrženého zařízení, což je pro potřeby laboratorního přípravku žádoucí. Navíc je tento přijímač schopný zpracovat vstupní signály se vzorkovacím kmitočtem od 32 khz až do 92 khz s bitovou hloubkou až 24 bitů, to je vzhledem k požadavkům na navržené zařízení nutností. [2] Pokud přijímačů S/PDIF je celá řada tak bezezbytku to samé platí o D/A převodnících. Ty se vyskytují od Low cost integrovaných obvodů nevalné kvality, která se používají ve většině spotřební elektroniky, až po obvody tzv. audiofilské, či high end třídy. Tyto obvody pochopitelně dosahují naprosto špičkových parametrů v oblasti kvality zpracování signálu, odstupu signálu od šumu, schopnosti zpracovat až 24 bitové vstupní signály s vysokým vzorkovacím kmitočtem až 92 khz. Nejvýznamnější výrobci opravdu kvalitních D/A převodníků jsou opět Cirrus Logic, Texas Instruments a Analog Devices. V navrženém D/A převodníku je použit prakticky nejvyšší model D/A převodníku od posledně jmenované firmy, tedy od Analog Devices. Navržený převodník je AD955 a k dnešnímu dni není možné sehnat kvalitnější stereo D/A převodník pro potřeby nízkofrekvenční audio techniky. Jedná se o nástupce velmi kvalitního převodníku AD853. Samozřejmostí tohoto převodníku je možnost softwarového řízení, bitová hloubka až 24 bitů a vzorkovací kmitočet až 92 khz, což představuje stejně jako v případě přijímače S/PDIF značnou variabilitu výsledného zařízení. D/A převodník je nejklíčovější částí obvodů pro zpracování vstupních digitálních signálů a největší měrou ovlivňuje výslednou kvalitu výstupního analogového signálu. [3] [4] Samozřejmě výstupní analogový signál z D/A převodníku není možné přímo odebírat koncovým zařízením a proto za blokem D/A převodníku následuje blok diferenčního zesilovače a aktivního rekonstrukčního filtru. Jedná se o poslední část v řetězci pro zpracování vstupního digitálního signálu a výstup z tohoto bloku je již klasický stereo výstup linkové úrovně, který může přebírat následný výkonový zesilovač, či sluchátkový zesilovač atd. Jedná o velmi zásadní blok v tomto řetězci zpracování vstupního digitálního signálu. Špatným výběrem operačních zesilovačů by došlo k okamžité degradaci vlastností bloků předešlých, tedy přijímače S/PDIF a D/A převodníku, a tím k degradaci kvality celého navrženého zařízení. Výrobce D/A převodníku doporučuje použít své naprosto špičkové operační zesilovače AD8599. Jedná se o duální operační zesilovače s ultra nízkým zkreslením a šumem. Jsou schopny pracovat až do 0 MHz. Velmi důležitým parametrem OZ v tomto zapojení je také rychlost přeběhu, která činní +-6 V/μs. Po předchozích zkušenostech s těmito OZ, které byly často nestabilní a kmitaly se v návrhu a realizaci spíše uvažovalo o alternativních OZ od výrobce Texas Instruments, konkrétně o typ LME49720. Jedná se o totožné OZ a mohly tak být zaměněny jeden za druhý, bez jakékoliv změny v zapojení. Většinou svých parametrů navíc už tak velmi kvalitní OZ AD8599 překonává a jsou tedy ještě kvalitnější. Jejich doba přeběhu je až +-20 V/μs, šířka pásma až 55 MHz. [5] [6] Pro řízení činnosti laboratorního přípravku byl vybrán mikrokontrolér od firmy Texas Instruments. Konkrétně byl vybrán MSP430F5529 jedná se o velmi moderní 6 5
bitový mikrokontrolér, označován jako tzv. Mixed signal microcontroller. To znamená, že se jedná o pokročilý mikrokontrolér, který je schopen zpracovat i určité pokročilejší instrukce, které byly dříve doménou pouze signálových procesorů. Texas Instruments navíc tyto mikrokontroléry poskytuje s vývojovými kity za velmi přijatelnou cenu. Velkou výhodou těchto kitů je fakt, že se dají zároveň použít jako programátor pro externí mikrokontroléry řady MSP430FXXXX, jak bylo později s výhodou využito. Mikrokontrolér má širokou konektivitu, díky velkému množství vstupně výstupních pinů. Umožňuje komunikaci po SPI, což je pro navržené přípravek nezbytné, kdy pomocí SPI mikrokontrolér nastavuje přijímač S/PDIF, D/A převodník a také komunikuje s uživatelem pomocí připojeného OLED displeje a obou indikačních obvodů, které indikují konkrétní nastavení příslušných bitů řídících registrů D/A převodníku a přijímače S/PDIF. Každý indikační obvod je složen ze dvou 8 bitových CMOS shift registrů 74HCT595. Velmi zajímavou vlastností nejen tohoto mikrokontroléru i celé řady MSP430FXXXX je extrémně malá spotřeba elektrické energie a tím velmi malé požadavky na napájení. [7] [8] Připojený OLED displej s řadičem WS000 dokáže komunikovat klasicky paralelně, ale volitelně i sériově včetně SPI. Ovšem proto aby displej byl schopný komunikovat po SPI, je nutné provést drobné změny přímo na DPS OLED displeje. Aby však celé zařízení bylo univerzálnější a v případě poškození displeje se nemusela vždy upravovat DPS displeje a přípravek tak dokázal komunikovat s jakýmkoliv běžným LCD displejem, který jinak jako paralelně komunikovat neumí, byl navržen jednoduchý převodník SPI na paralelní informaci. Tuto paralelní informaci je schopný zpracovat jakýkoliv běžný LCD displej s klasickým řadičem Hitachi. Tento převodník zároveň ušetří spoustu pinů na mikrokontroléru, které mohou být použity na jiné účely. V neposlední řadě SPI komunikace s displejem výrazně usnadní vývoj řídícího algoritmu navrženého zařízení. Převodník je tvořen podobně jako u indikačních obvodů opět dvěma jednoduchými 8 bitovými shift registry 74HCT595. Jedná se o klasický CMOS integrovaný obvod, který vyrábí spousta výrobců (NXP, Texas Instruments atd.) [2] 6
2 OBVODY PRO D/A PŘEVOD V navrženém laboratorním přípravku jsou tyto obvody patrně nejklíčovější částí. Za pomocí těchto obvodů je zařízení schopno přijmout vstupní digitální signál, zpracovat ho a převést ho do klasické linkové úrovně, která může být zpracována následným nízkofrekvenčním audio zesilovačem a nebo výstup z tohoto bloku může být využit přímo pro měřící účely, jako tomu je u navrženého laboratorního přípravku. Samostatný D/A převodník není schopen veškerou tuto činnost zajistit sám a proto jsou obvody pro D/A převod složeny ze vstupní digitální části, přijímače S/PDIF, samotného D/A převodníku a následné jakostní analogové části, která je tvořena z diferenčních zesilovačů a aktivního rekonstrukčního filtru. Obecným požadavkem návrhu na celý tento blok je schopnost zpracování vstupních digitálních signálů se vzorkovacím kmitočtem až 92 khz a bitovou hloubkou až 24 bitů a to navíc s vysokou jakostí výsledného výstupního signálu. Protože se však jedná o laboratorní přípravek D/A převodníku, musí obvody D/A převodníku umožňovat nastavení nejrůznějších klíčových parametrů, jakými jsou právě například vzorkovací kmitočet, bitová hloubka, formát komunikace mezi přijímačem S/PDIF a vlastním D/A převodníkem a jiné mnohé další. Základní podmínkou pro splnění těchto požadavků na výsledný D/A převodník je použití prakticky té nejmodernější součástkové základy. Podrobný rozbor návrhu všech dílčích částí D/A převodníku spolu s rozborem a konkrétními kritérii na jednotlivé bloky, bude proveden v následujících podkapitolách. 2. Vstupní digitální část Vstupní digitální část je částí stojící na úplném začátku řetězce zpracování digitálních vstupních signálů. Za pomocí této části je schopný následný S/PDIF přijímač detekovat vstupní signál z patřičné linky. Navržený laboratorní přípravek D/A převodníku je schopný detekce, příjmu a zpracování signálu z optické cesty a z cesty koaxiální. Tyto dva vstupu představují vstupní konektivitu celého navrženého zařízení. V případě optického vstupu je za pomocí použitého optického přijímače Sharp transformována informace optická na informaci elektrickou, kterou dokáže bez problémů zpracovat následný přijímač S/PDIF CS846. Velkou výhodou optického vedení je galvanické oddělení přijímače od vysílače, respektive přijímače od vedení. Tím je zajištěna dokonalá odolnost proti rušení a u takto komunikujících zařízení nemůže vzniku nežádoucí zemní smyčka mezi vysílačem a přijímačem. U koaxiálního vstupu, může být signál od vstupního RCA konektoru veden přímo na vstup následného přijímače S/PDIF. Nemusí docházet tedy k žádné transformaci vstupního signálu, protože v případě koaxiálního vedení je vysílač a přijímač propojen elektricky. Ovšem, jak je naznačeno na Obr. 2.. a popsáno níže, není vhodné signál použít přímo a pro korektní činnost je nutné dodržet jisté obvodové zapojení tohoto koaxiálního vstupu. 7
Obr. 2..: Zapojení vstupů u přijímače CS846 Jako optický přijímač byl zvolen přijímač GPFAV3RK0F od firmy Sharp. Jedná se o přijímač, ke kterému je možno připojit klasické optické kabely, které se vyskytují v běžné spotřební elektronice (Toslink). Jeho přenosová rychlost až 5,5 Mb/s jasně naznačuje, že pro potřeby audiotechniky je přijímač dostatečně rychlý a ani s nejvyšší možnou šířkou vstupního slova a s nejvyšší možnou vzorkovací frekvencí, pro kterou je zařízení navrženo, nebude mít optický přijímač jakýkoliv problém detekce vstupního digitálního signálu. Obvodové zapojení přijímače je snadné viz. Obr. 2.., je nutné použít pouze klasický blokovací 00 nf kondenzátor mezi napájení a zem. Tímto blokovacím keramickým kondenzátorem dochází k odrušení VF složky z napájení. Na výstupu z optického přijímače je navíc ještě nutné použít 0 nf vazební kondenzátor. Tento kondenzátor doporučuje výrobce přijímače S/PDIF Cirrus Logic, ke korektnímu ošetření vstupního pinu jeho integrovaného obvodu CS846. Použití tlumivky od napájení optického přijímače doporučuje naopak výrobce optického přijímače Sharp. Velikost indukčnosti cívky není kritická a standardně se volí několik μh (např. 3,3 μh ). Důležitější je však odpor této tlumivky, ten by měl být co možná nejmenší. Tlumivky s odporem cca 0,5 Ω jsou bez problémů použitelné. Použití tlumivky však není nezbytně nutné. [] [2] Návrh koaxiálního vstupu ve srovnání s optickým vyžaduje dodržení jistých zásaditostí. V případě nedodržení těchto zásaditostí nebude připojené zařízení přes tuto vstupní linku pracovat korektně. Jako vstupní konektor je použit klasický RCA Cinch konektor, ke kterému se připojuje klasický 75 Ω koaxiální kabel. Na rozdíl od optických přijímačů, je zde nutné uvažovat možný vznik zemní smyčky a za pomocí vhodného zapojení tohoto vstupu, je nutné tuto zemní smyčku eliminovat. Pro správnou a korektní činnost tohoto vstupu je nezbytně nutné zajistit galvanické oddělení následného přijímače S/PDIF resp. celého zařízení od vedení. Případná zemní smyčka by způsobila síťové rušení v celém zařízení a ve výstupu D/A převodníku by se objevil síťový kmitočet 50 Hz případně další harmonické. V obou případech by se to projevovalo velmi nepříjemným brumem ve výstupním analogovém signálu D/A převodníku. Vysílač je s přijímacím konektorem spojen elektricky prostřednictvím koaxiálního kabelu. Ke galvanickému oddělení následných obvodů dochází ihned za vstupním RCA konektorem prostřednictvím použitého pulzního transformátoru od společnosti Murata Power. Jedná se o pulzní transformátor 7860/3C s poměrem : viz. Obr. 2... Mezi výstupy z transformátoru je umístěn ještě přizpůsobovací 75 Ω rezistor, kterým je zajištěno impedanční přizpůsobení vstupu vůči impedanci vedení (75 Ω koaxiální 8
vedení), čímž se eliminují případné odrazy na vedení, které by vlivem nepřizpůsobení vznikaly na vstupu a přechází tak 00% energie z vedení do vstupního pinu přijímače S/PDIF. [2] [9] 2.2 Rozhraní a přijímač S/PDIF S/PDIF nebo také S/P-DIF jsou zkratky pro Sony/Philips Digital InterFace nebo někdy méně známé označení jako Sony/Phillips Digital Interconnect Format. Jedná se o soubor pravidel, nařízení a zejména protokolů pro přenos digitálně kódovaného audiosignálu mezi různými audio zařízeními. Formát dat digitálního audiosignálu je stanoven normou IEC958. Data mohou být přenášena v profesionálním módu tzv. AES3 a nebo ve spotřebitelském módu tzv. S/PDIF. Hlavní rozdíl mezi těmito módy je zejména v napěťových úrovních přenášeného signálu. Pro navržený D/A převodník je důležitý spotřebitelský mód S/PDIF (Toslink, koaxiál), pro který je D/A převodník navržen. Technologicky se může signál S/PDIF přenášet elektrickou cestou (koaxiální kabel) a nebo cestou optickou (Toslink optický kabel). Obě tyto varianty jsou použity v navrženém zařízení, jak bylo uvedeno v kap. 2.. [0] Obecná funkce přijímače S/PDIF je v příjmu signálu ze vstupu ať z cesty optické a nebo elektrické a převodu tohoto vstupního digitální signálu na formát, který je schopný zpracovat následný D/A převodník. Standardní mód komunikace mezi přijímačem S/PDIF a D/A převodníkem je I2S. Existují však další módy komunikace jakými jsou Right Justified (tzv. pravé zarovnání bitů) a Left Justified (tzv. levé zarovnání bitů). Protože navržené zařízení laboratorního přípravku D/A převodníku má sloužit pro měřící účely a má být různě nastavitelné, je možné za pomocí použitého interního mikrokontroléru MSP430F5529 libovolně nastavovat formát komunikace mezi těmito dvěma zařízeními, viz. Obr. 2.2.. Obr. 2.2.: Formáty komunikace přijímače S/PDIF a D/A převodníku, převzato [2] 9
Obr. 2.2.2: Schéma zapojení přijímače S/PDIF CS846 Jako nejvhodnější přijímač S/PDIF pro navržené zařízení byl zvolen přijímač CS846 od firmy Cirrus Logic. Jedná se přijímač, který splňuje veškeré požadavky návrhu. Je schopen zpracovat vstupní signály se vzorkovacím kmitočtem až 92 khz a s rozlišením až 24 bitů. Jedná se o vysoce kvalitní integrovaný obvod, který je schopen pracovat ve dvou pracovních režimech. Schéma zapojení integrovaného obvodu CS846 viz. Obr. 2.2.2 vychází z doporučení výrobce nacházejících se v katalogovém listu k tomuto obvodu. [2] Prvním pracovním režimem je tzv. hardwarový režim, kdy se funkce integrovaného obvodu přijímače nastaví připojením 47 k rezistorů u patřičných pinů integrovaného obvodu na potenciál země, či potenciál +5V. Funkce obvodu v tomto režimu jsou značně omezené a takto zapojený přijímač by byl pro potřeby navrženého zařízení naprosto nevhodný z důvodu nemožnosti přenastavení činnosti tohoto přijímače dle potřeb měření. Výhodou tohoto režimu je však snadnější použití tohoto obvodu 0
přijímače a nepotřebnost mikrokontroléru, který by řídil jeho chod. Takové zapojení může být s výhodou použito v D/A převodnících, pro špičkový domácí poslech, kde není třeba přenastavovat činnost obvodu. [2] Druhý pracovní režim přijímače CS846 je daleko zajímavější a pro potřeby navrženého D/A převodníku je to nutný režim, ve kterém musí přijímač pracovat. Umožňuje řízení své činnosti za pomocí mikrokontroléru, se kterým komunikuje prostřednictvím I2C nebo SPI a nazývá se jako tzv. režim softwarový. V navrženém zařízení bude využita komunikace mezi přijímačem a použitým mikrokontrolérem MSP430F5529 po SPI lince. O tom zda obvod pracuje v HW nebo SW režimu rozhoduje jeden konkrétní rezistor o hodnotě 47 k u pinu CS846 nazvaného jako SDOUT. Pokud se rezistor R2 připojí svojí druhou částí na potenciál země, tak přijímač S/PDIF pracuje v HW režimu. V případě připojení rezistoru na potenciál +5V pracuje obvod v SW režimu, viz. Obr. 2.2.2. [2] V SW režimu se funkce většiny pinů CS846 oproti HW režimu naprosto mění a obvod je schopný zpracovat signály až z 8 vstupů (RXP0 - RXP7), mezi kterými přepíná a vybírá tak požadovaný vstupní signál, který má být dále zpracován. V HW režimu lze k přijímači S/PDIF připojit pouze 4 vstupy. Navíc v SW režimu poskytuje obvod i 3 piny označované jako GPO (General Purpose Output) a jejich funkce a činnost je modifikovatelná za pomocí řídícího algoritmu od mikrokontroléru, což poskytuje další možnost a rozšiřuje tak možné funkce přijímače S/PDIF. Z důvodu univerzálnosti přijímače a celého navrženého zařízení jsou tyto výstupní piny přijímače vyvedeny na patici a mohou tak být využity jako například vstupní piny mikrokontroléru. Na jejichž základě mikrokontrolér například utlumí (MUTE = ) D/A převodník v případě absence či chyby vstupního S/PDIF signálu. Pro ještě větší universálnost návrhu byl vyveden pin GPO0 přímo na vstupní pin MUTE D/A převodníku AD955. Tímto opatřením dochází k přímému utlumení výstupu D/A převodníku (bez zásahu mikrokontroléru ) v případě výpadku, či absence platného vstupního S/PDIF signálu. Možnost funkce těchto GPO pinů je poměrně široká a uvedena v Tab. 2.2. Tab. 2.2.: Konfigurace GPO pinů obvodu CS846, převzato [2]
Obr. 2.2.3: 2. řídící registr obvodu CS846, převzato [2] O tom, která funkce připadne GPO0 pinu rozhodují 4 nejnižší bity 2. řídícího registru obvodu CS846 a aby docházelo k utlumení výstupu D/A převodníku, v situaci popsané výše, je nutné zvolit funkci označenou AUDIO a nastavit tak onu čtveřici nejnižších bitů na hodnotu 00. [2] 2.2. Popis zapojení přijímače S/PDIF CS846 Zapojení přijímače CS846 uvedené na Obr. 2.2.2 vychází z doporučení výrobce Cirrus Logic a je modifikováno pro potřeby navrženého D/A převodníku. Klíčovou částí návrhu přijímače je vedení napájení a separace zemí. Integrovaný obvod CS846 striktně vyžaduje separaci napájení svých analogových a digitálních částí. Stejná, ne-li ještě důležitější, je separace zemí. Pokud by nedošlo k separací zemí a napájení jednotlivých částí, obvod by mohl být nestabilní a nebo pracovat zcela nekorektně. Také by nemuselo dojít k zachycení PLL filtru. Pro správnou činnost je proto nezbytné tyto požadavky integrovaného obvodu dodržet. [2] Propojení tzv. analogové a digitální země je zajištěno prostřednictvím klasické tlumivky. Může být použitá naprosto stejná tlumivka, jaká byla použita ve vstupní digitální části. Opět je důležitý především její ohmický odpor. Ten by neměl být větší než 0,5 Ω. U obou napájecích větví přijímače je nutné, kromě samostatného vedení těchto napájení, ještě zařadit mezi zem a toto napájení 00 nf keramické kondenzátory, viz. Obr. 2.2.2. Ty slouží jako blokovací kondenzátory pro odstranění VF rušení, které by mohlo do obvodu pronikat ze sítě. V případě napájení pro analogové části obvodu výrobce doporučuje použít k tomuto blokovacímu kondenzátoru ještě druhý kondenzátor tantalový. Velikost kapacity tohoto tantalového kondenzátoru by dle doporučení měla být okolo 0 µf. U všech vstupních a výstupních pinů (kromě vstupů RXP0 RXP7) jsou z důvodu jejich ochrany použity sériově malé ochranné rezistory. Jejich použití však není nutné a jejich ohmická hodnota není kritická. Obecně se pro ošetření digitálních vstupů a výstupů mohou použít rezistory od několika desítek ohmů až po několik stovek ohmů. V návrhu a následné realizaci byly pro ostření vstupů použity 00 Ω rezistory, viz. Obr. 2.2.2. Velmi důležitým a kritickým návrhem přijímače S/PDIF je filtr PLL (tzv. fázový závěs), viz. Obr. 2.2.2. Jedná se o externí filtr pro obvod fázového závěsu. Za pomocí tohoto externího filtru je ze vstupního signálu generován hodinový signál RMCK pro následný D/A převodník. O funkčnosti či nefunkčnosti celého D/A převodníku rozhoduje právě zachycení tohoto PLL filtru na vstupní signál. Proto musí být použity součástky té nejvyšší kvality. Jsou použity keramické kondenzátory z nejkvalitnějšího materiálu (NPO) s nejmenšími parazitními vlastnostmi a rezistor s co možná nejmenší tolerancí a ohmickou hodnotou, která přesně odpovídá požadovaným 3 kω. Hodnoty součástek do bloku PLL filtru doporučuje výrobce přijímače Cirrus Logic. Kromě hodnot použitých součástek je dále nezbytně nutné připojit PLL filtr na analogovou 2
zem. Při návrhu DPS je nutné, aby prvky PLL filtru byly u sebe co nejblíže a byly zároveň co možná nejblíže samotnému integrovanému obvodu přijímače. Zároveň v okolí PLL filtru nesmí být veden žádný digitální signál a pod všemi součástkami PLL filtru musí být dokonale rozlita zem. Jedině všemi těmito kroky návrhu je zajištěna dokonalá funkčnost PLL filtru, schopnost zachycení na vstupní signál a generace hodinového signálu pro následný D/A převodník. [2] [4] Piny pro SPI komunikaci mezi přijímačem a mikrokontrolér MSP430F5529 jsou vyvedeny na příslušné piny patice, ke kterým je připojen mikrokontrolér. Kromě pinů pro SPI komunikaci je na společnou patici s D/A převodníkem vyveden ještě RESET pin přijímače CS846, viz. Obr. 2.2.2., kterým je přijímač podle potřeby zresetován a nastaven do své výchozí hodnoty. 2.3 D/A převodník Převodník určený pro převod signálu z digitální podoby vstupního signálu na výstupní analogový signál je předposledním blokem v řetězci D/A převodu. Jeho vstupním signálem je výstupní signál přijímače S/PDIF. Výstupní analogový signál z D/A převodníku však nelze použít k buzení koncových zesilovačů a proto je ještě výstupní analogový signál z D/A převodníku dále zpracováván blokem diferenčních zesilovačů a aktivního rekonstrukčního filtru. Teprve tento výstupní analogový signál po převodu vstupní digitální informace je možné použít k buzení například koncových výkonových zesilovačů nebo, jako v případě navrženého zařízení, použít tento výstup pro měřící účely. D/A převodníků existuje celá řada lišící se kvalitou, počtem zpracovávaných kanálů, principem převodu digitální informace na analogovou atd.. Kvalita použitého D/A převodníku má zásadní vliv na výslednou kvalitu celého zařízení. Proto byl vybrán D/A AD955 od renomovaného výrobce Analog Devices. Jedná se o velmi moderní stereo D/A převodník, který nejen svou kvalitou převodu, ale i svými ostatními parametry předčí dnes běžně dostupné D/A převodníky pro nízkofrekvenční audio techniku. Přesněji se jedná o špičkový Σ-Δ stereo D/A převodník, který je schopen zpracovat vstupní signály se vzorkovacím kmitočtem až 92 khz a bitovou hloubkou vstupního slova až 24 bitů, což je pro potřeby návrhu laboratorního přípravku D/A převodníku nezbytnost. Převodník AD955 nahrazuje velmi úspěšný a neméně kvalitní AD853. Výhodou AD955 oproti AD853 jsou především širší možnosti v nastavení parametrů pomocí sériové komunikace s mikrokontrolérem. Naopak výhodou AD853 je možnost použít tento převodník v HW režimu, což použitý převodník AD955 neumožňuje. Pro potřeby navrženého laboratorního přípravku D/A převodníku je ovšem nezbytné využít SW režim převodníku. Pro přehlednost jsou klíčové parametry použitého převodníku AD955 uvedeny v Tab. 2.3. a Tab. 2.3.2. [3] [4] Tab. 2.3.: Parametry převodníku AD955 Akceptuje vzorkovací kmitočet 32/44./48/88.2/96/92 khz Akceptuje šířku vstupního slova 6/8/20/24 bitů Akceptuje vstupní formát Left/right justified, I2S Převzorkování 48/96/92 khz 3
Tab. 2.3.2: Parametry převodníku AD955, pokračování Odstup signál/šum SNR 20 db Akceptuje hodinový signál 256 fs, 52 fs, 768 fs Sériové řízení činnosti SPI 2.3. Popis zapojení D/A převodníku AD955 Schéma zapojení D/A převodníku AD955 je uvedeno na Obr. 2.3.. Zapojení vychází z doporučení výrobce převodníku. Pro zapojení zde platí velmi podobné pravidla jako při zapojení přijímače S/PDIF. Stejně jako u přijímače i zde je nutno separovat napájení a země digitálních a analogových částí převodníku. Propojení digitálních a analogových zemí je opět řešeno prostřednictvím malé tlumivky o malém ohmické odporu. Mezi napájení a zem je, opět podobně jako u přijímače CS846, zapojen blokovací 00 nf keramický kondenzátor. Pro ještě dokonalejší odrušení napájecích pinů AD955 od napájecích obvodů může být zařazena sériová tlumivka nebo malý feritový prstenec. Zapojení samotného digitálně analogového převodníku je díky použití SW režimu toho převodníku velmi snadné a veškeré nastavení převodníku obstarává až následný řídící algoritmus. [3] 4
Obr. 2.3.: Schéma zapojení D/A převodníku AD955 Vstupem vlastního D/A převodníku je čtveřice pinu s názvy MCLK, SDATA, BCLK, LRCLK. Pomocí těchto čtyř vstupních pinů je zajištěna komunikace mezi S/PDIF přijímačem a vlastním D/A převodníkem. MCLK je pin určený pro připojení hlavního hodinového signálu (Master Clock). SDATA je pin určený pro příjem vlastních sériových dat přicházejících od dekodéru CS846 LRCLK je pin určený pro příjem hodinového signálu levého a pravého kanálu vstupních sériových dat BCLK je pin určený pro příjem tzv. Bitových hodin vstupního signálu Pro ošetření a ochranu všech vstupních a výstupních digitálních (datových) pinů je vždy opět sériově zařazen 00 Ω ochranný rezistor. Nevyužité vstupy převodníku je možné připojit přímo na digitální zem. 5
Na stejnou patici pinů, kterou využívá přijímač S/PDIF jsou vyvedeny piny AD955 určené pro SPI komunikaci s mikrokontrolérem. Rozpoznání, zda-li příchozí sériové data jsou určena pro převodník nebo přijímač S/PDIF, je zajištěno patřičnými chip select (CS) signály, které jsou pro každý obvod na SPI lince vedeny samostatně. Krátký puls na tomto vstupním pinu SPI komunikace zajistí zapsání příchozích dat do patřičného registru daného obvodu. Mimo piny SPI rámce je na patici veden opět i RESET samotného převodníku a navíc také pin MUTE. Pomocí tohoto vstupního pinu převodníku, konkrétně vysokou úrovní na tomto pinu, může být výstup převodníku okamžitě ztišen. Této možnosti je využito s výhodou v situaci pokud přijímač S/PDIF nepracuje korektně a nebo pokud nemá na svém vstupu korektní data. Pokud by nebyl D/A převodník přiveden do režimu MUTE, objevoval by se na výstupu celého D/A převodníku nekorektní a pro poslech velmi nepříjemný signál, který by představoval nesmyslné data, které by přejímal převodník od přijímače S/PDIF v době jeho chyby či nepřipojení vstupního S/PDIF signálu. Zapojení součástek u pinů IREF, FILTB a FILTR vychází z katalogového listu. Jejich hodnota musí být striktně dodržena podobně jako tomu bylo u PLL filtru přijímače S/PDIF. Rezistorem R7 u pinu IREF se nastavuje přesná referenční hodnota proudu pro výstupní pin označený FILTR. [4] Protože převodník není napájen symetricky, ale pouze jednoduchým napájením +5V, nemůže na svém výstupu nabývat záporných hodnot výstupního signálu a docházelo by tak k ořezávání záporné půl vlny výstupního audio signálu, což by mělo za následek naprosté znehodnocení tohoto signálu. Proto je na pinu FILTR vytvořeno přesné SS napětí 2,39 V. Tímto napětím je výstup převodníku posunut o 2,39 V směrem nahoru, čímž se zajistí neořezávání záporné půl vlny výstupního audio signálu. Pro následující diferenční zesilovače a aktivní rekonstrukční filtr tato napěťová úroveň 2,39 V představuje nulovou úroveň. Tímto posunem vzhůru se zajistí bezproblémový rozkmit výstupního signálu z D/A převodníku a zamezí se tak jakékoliv limitaci tohoto výstupního signálu, který začnou dále zpracovávat operační zesilovače diferenčních zesilovačů a aktivního rekonstrukčního filtru následné jakostní analogové části D/A převodníku. [4] Druhou, spolehlivější a kvalitnější metodou, jak posunout výstupní úroveň a vytvořit tak referenci pro diferenční zesilovače, je předřadit operačním zesilovačům v bloku diferenčních zesilovačů a aktivního rekonstrukčního jednoduchý dělič napětí. Na výstupu tohoto děliče bude výstupní napěťová úroveň 2,8 V. Pro dosažení co možná nejlepších výsledků a parametrů D/A převodníku je doporučena právě tato metoda posuvu výstupního napětí. [4] 2.4 Diferenční zesilovače a aktivní rekonstrukční filtr Diferenční zesilovače a následný aktivní rekonstrukční filtr jsou posledním blokem v řetězci zpracování a převodu vstupního digitálního signálu (S/PDIF) do klasické analogové podoby linkové úrovně, kterou mohou poté již zpracovávat běžné nízkofrekvenční výkonové zesilovače. Kvalita tohoto bloku výrazně ovlivňuje výslednou kvalitu celého D/A převodu. Špatným návrhem, případně špatnou volbou součástkové základny, především výběrem nevhodných či nekvalitních operačních zesilovačů, může dojít k naprosté degradaci výsledného signálu a tím k degradaci 6
předešlých obvodů přijímače a D/A převodníku. Proto jsou na použité operační zesilovače kladeny značné kvalitativní požadavky. Navržený blok diferenčních zesilovačů a aktivního rekonstrukčního filtru je postaven na naprosto špičkových duálních operačních zesilovačích LME49720 od společnosti Texas Instruments. Jako velmi dobrou alternativou těchto operačních zesilovačů od společnosti Texas Instruments mohou být operační zesilovače, které jsou doporučovány samotným výrobce D/A převodníku, tedy společností Analog Devices. Jedná se opět o duální operační zesilovač typu AD8599. Výhodou obou těchto typů operačních zesilovačů je vzhledem ke stejnému typu pouzdra (SOIC8) a stejné vnitřní struktuře integrovaného obvodu operačního zesilovače jejich vzájemná zaměnitelnost bez potřeby jakkoliv zasahovat do zapojení nebo DPS tohoto bloku. Klíčové parametry obou modelů operačních zesilovačů jsou uvedeny v Tab. 2.4., respektive v Tab. 2.4.2. [4] [5] [6] Tab. 2.4.: Parametry operačního zesilovače LME49720 Šum 2,7 nv/ Hz při khz Zkreslení 0,000003% CMRR 20 db Rychlost přeběhu -+20 V/µs Kmitočtový rozsah 55 MHz Tab. 2.4.2: Parametry operačního zesilovače AD8599 Šum nv/ Hz při khz Zkreslení 0,0004% CMRR 20 db Rychlost přeběhu -+6 V/µs Kmitočtový rozsah 0 MHz Pokud budou operační zesilovače srovnány na základě údajů, které jsou uvedeny v jejich datasheetech a v Tab. 2.4. a Tab. 2.4.2., jeví se lepší volbou použití operačního zesilovače LME49720 od společnosti Texas Instruments. LME49720 dosahuje ve srovnání s AD8590 od společnosti Analog Devices, menšího zkreslení, má mnohem větší šířku pásma a také je, vzhledem k jeho době přeběhu, rychlejší. Naopak důvodem použitý AD8599 může být jeho nižší šum a naprosto stejná hodnota parametru CMRR. Šířka pásma operačního zesilovače 0 MHz je pro potřeby audiotechniky také naprosto dostačující. U obou operačních zesilovačů by nemělo napájecí napětí přesáhnout +-8 V. Schéma zapojení diferenčního zesilovače a aktivního rekonstrukčního filtru je uvedeno na Obr. 2.4.. [5] [6] 7